Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ПРУТКОВЫХ И ПРОВОЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для производства осесимметричных высокоточных прутковых и проволочных изделий волочением.

Известно, что прутковые и проволочные металлоизделия изготавливают по технологической схеме, совмещающей прокатку или прессование заготовки и ее последующее волочение через конический волочильный инструмент.

Предварительно передний конец заготовки заостряют, формируют захватку, которую вводят в инструмент (волоку), зацепляют зажимом тянущего устройства и производят деформацию протягиваемой заготовки в технологическом инструменте (см. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. - М.: Металлургия, 1971. - с. 18).

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является способ волочения изделий (см. патент РФ №2126731 от 27.01.1999, кл. В21С 1/00), включающий предварительное формирование на заготовке захватки, деформацию заготовки в конических волоках с использованием технологической смазки при наличии остаточных напряжений в металлоизделиях.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что он не учитывает изменение геометрических размеров, в частности диаметра металлоизделий, вследствие релаксации остаточных напряжений.

Известно, что в процессе пластического деформирования в протягиваемых изделиях возникают остаточные напряжения (см. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. - М.: Металлургия, 1971. - с. 371-383), которые существенно влияют на процесс волочения и качество металлоизделий, в частности конечный размер металлоизделий.

При производстве прутковых и проволочных изделий применяется многопереходное волочение через ряд последовательных волок. При многопереходном волочении остаточные напряжения накапливаются от перехода к переходу, при этом их влияние на качество, в частности геометрические параметры, металлоизделий возрастает, что особенно важно при производстве металлоизделий повышенной точности.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого решения, - предварительное формирование на изделии захватки и последующее волочение с использованием технологической смазки через монолитные волоки.

Задачей изобретения является учет релаксации остаточных напряжений и изменение конечного размера осесимметричных прутковых и проволочных металлоизделий вследствие релаксации остаточных напряжений.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе производства осесимметричных прутковых и проволочных металлоизделий повышенной точности, включающем предварительное формирование на изделии захватки и последующее волочение с использованием технологической смазки через монолитные волоки, изменение радиуса металлоизделия вследствие релаксации остаточных напряжений определяют по формуле

где

- параметр, определяющий величину остаточных напряжений, МПа;

Е - модуль упругости материала металлоизделия;

μ - коэффициент Пуассона материала металлоизделия;

R - радиус металлоизделия, мм;

е - основание натурального логарифма;

ψ - параметр, определяющий долю энергии пластического деформирования, пошедшую на формирование остаточных напряжений;

σ_Si - сопротивление пластической деформации протягиваемого металла в i-том переходе многопереходного волочения, МПа;

- степень деформации в i-том переходе;

- вытяжка в i-том переходе;

d_oi, d_1i - диаметры металлоизделия на входе в волочильный инструмент и на выходе из него соответственно в i-том переходе;

α_в - угол наклона образующей волочильного инструмента к оси волочения.

Признаки предлагаемого способа, отличительные от прототипа, - определение увеличения радиуса протягиваемого пруткового или проволочного металлоизделия за счет релаксации остаточных напряжений в зависимости от условий волочения и механических свойств протягиваемого металла.

Остаточные напряжения в объеме прутковых и проволочных металлоизделий после пластического деформирования определяются соотношениями (см. Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В., Тиунов В.В. Технологические остаточные напряжения и их влияние на долговечность и надежность металлоизделий. Пермь, изд-во ПНИПУ, 2012)

где σ_r, σ_θ, σ_z - остаточные напряжения в радиальном, окружном и осевом направлении соответственно;

μ - коэффициент Пуассона материала;

- относительная радиальная координата;

R - радиус металлоизделия.

Параметр входящий в соотношения (3), определяется технологическими условиями производства металлоизделия

где Е - модуль упругости материала металлоизделия;

μ - коэффициент Пуассона материала;

ψ - коэффициент, определяющий долю энергии пластического деформирования, пошедшую на формирование остаточных напряжений;

σ_Si - сопротивление деформации материала изделия в i-том переходе при многопереходном волочении;

- степень деформации в i-том переходе;

- вытяжка в i-том переходе;

d_oi, - диаметры металлоизделия на входе в волочильный инструмент и на выходе из него соответственно в i-том переходе;

α_в - угол наклона образующей волочильного инструмента к оси волочения.

Остаточные напряжения, определяемые уравнениями (3), могут быть значительными и привести к изменению геометрии металлоизделий (изменению радиуса) в процессе последующей эксплуатации за счет релаксации остаточных напряжений.

Релаксация напряжений - это изменение напряжений во времени в конструкциях, работающих под нагрузкой. Явление релаксации характерно для большинства конструкционных материалов, обладающих вязкоупругими свойствами. Релаксация напряжений описывается уравнением (см. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969, с. 396)

где σ₀ - начальное напряжение (t=0);

t_p - время релаксации;

е - основание натурального логарифма.

Применительно к остаточным напряжениям системы (3) уравнение релаксации (4) дает

Вследствие релаксации напряжений в прутковых и проволочных металлоизделиях произойдет изменение геометрических размеров, в частности изменение их радиуса. Изменение радиуса металлоизделий характеризует относительная деформация в окружном направлении ε_θ, которая определяется законом Гука

Максимальная деформация ε_θ соответствует поверхности прутковых и проволочных металлоизделий

Уравнение (6) с учетом (5) даст значение ε_θ для поверхности в следующем виде

При полной релаксации напряжений в процессе последующей эксплуатации металлоизделий t=t_p, при этом

Относительная окружная деформация определяется в свою очередь соотношением (см. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, с. 276)

для r=R имеем

где U - радиальное перемещение поверхности металлоизделия, которое будет определять изменение конечного радиуса металлоизделия.

Из соотношения (8) получим

с учетом (7) имеем

при этом определяется соотношением (2).

Пример конкретной реализации.

Медный пруток радиусом 20 мм изготовили из прессованной заготовки за 7 переходов с коэффициентом вытяжки в каждом переходе λ_i=1.5.

Исходные данные для расчета:

ψ=0.15, μ=0.34, Е=1.2⋅10⁵ МПа, α_в=10°, σ_S=400 МПа.

В результате расчета получили МПа и ΔR=0.233 мм, что составит изменение диаметра Δd=0.466 мм.

Пруток радиусом 25 мм из титанового сплава НМП-1А изготовлен из прессованной заготовки за 4 перехода с коэффициентом вытяжки в каждом переходе λ_i=1,3.

Исходные данные для расчета:

ψ=0.20, μ=0.35, E=1.1⋅10⁵ МПа, α_в=6°, σ_S=800 МПа.

В результате расчета получили МПа и ΔR=1,87 мм, что составит изменение диаметра Δd=3,76 мм.

При производстве высокоточных прутков изменения диаметра могут оказаться существенными, что потребует соответствующей корректировки геометрии волочильного технологического инструмента.